武廣客專紅粘土變形特性及形成機理研究*

余敦猛 楊果林 方 薇

(中冶集團武漢勘察研究院有限公司1) 武漢 430080) (中南大學土木建筑學院2) 長沙 410075)1)

紅粘土是碳酸鹽巖在熱帶、亞熱帶濕熱氣候條件下經過物理、化學風化和紅土化作用而形成的一種呈褐紅、棕紅及黃褐等顏色的高塑性粘土.由于紅粘土的特殊性,紅粘土地段常常發生諸如路基沉陷和邊坡失穩等病害,給人民生命財產和社會經濟造成巨大損失.武廣客運專線武漢至韶關段分布有長達100 km的紅粘土,在修筑路基和開挖邊坡時常會遇到一系列紅粘土變形方面的問題,因此,對武廣客運專線沿線紅粘土的變形特性進行研究也就顯得十分迫切和必要.本文從紅粘土的應力-應變關系、固結變形和脹縮變形3個方面來研究紅粘土的變形特性,并討論了紅粘土變形特性的成因,對于如何減小紅粘土的變形、確保相關工程的安全順利進行提出了若干應對措施.

1 紅粘土的應力-應變特性

1.1 紅粘土應力-應變關系

由圖1可知,紅粘土的應力-應變關系呈非線性.紅粘土的應力-應變曲線陡峭段的應變較小,而對應的應力增幅較大,但隨后的平緩段對應的應變較大,而應力增長較小.這表明,在應力作用下,達到結構強度后產生的應變遠大于土體擠密所產生的應變,即第二階段變形遠大于第一階段的變形[1].

圖1 紅粘土固結排水剪應力-應變曲線

1.2 紅粘土的體積應變-軸向應變關系

由圖2可知,紅粘土的體積應變-軸向應變關系呈非線性,均有明顯的拐點,在起始階段各圍壓下紅粘土的體積應變-軸向應變曲線基本一致,這說明該紅粘土具有相同的初始應力狀態,初始變形狀態相同.隨著圍壓增大,體積變形也相應增大.各圍壓下,紅粘土在剪切的初始階段都是剪縮,但過了拐點以后體積變化出現了波動,出現剪脹現象,有的土體體積應變在達到某一固定值后便不再隨軸向應變增加而發生變化.

在第一階段變形中,由于紅粘土的結構沒有破壞,紅粘土在剪切過程中不會發生土顆粒的旋轉、錯動等現象,所以是剪縮的,即圖2中拐點之前陡峭段對應的體積應變.在第二階段的變形中,由于土體結構已經破壞,在受到擠壓后,一些土顆粒必須脫離原來的位置,繞過前面的顆粒產生錯動滑移,這時土體便可能出現剪脹現象.

圖2 紅粘土的體積應變-軸向應變關系曲線

2 紅粘土的固結變形特性

固結是土的工程性質的一個重要方面,與建筑的穩定和沉降有密切的關系.伴隨著固結過程,土體內部的顆粒排列不斷調整,粒間的應力不斷改變,使土體強度增強.

固結變形指標主要是通過壓縮曲線反映出來的.根據武廣客運專線沿線咸寧和泉口兩個工點的試樣的固結試驗結果,繪制紅粘土的e-lg p壓縮曲線如圖3所示.由圖3可知,在壓縮的初始階段,即固結壓力小于先期固結壓力pc時,e-lg p壓縮曲線并沒有像一般粘性土那樣出現直線段.而當固結壓力超過先期固結壓力pc后,紅粘土的壓縮曲線(e-lg p)呈線性關系.利用雙對數法[2],固結壓縮曲線則可以很好地用兩條直線表示,如圖4所示.對應于2條直線交點的應力即為“先期固結壓力pc”.武廣客運專線紅粘土固結變形的壓縮系數及固結壓力等指標分別見表1和2.此外,為了更完整地認識紅粘土的剖面特性,表3給出了其含水量、孔隙比和液/塑限隨深度的變化關系.

圖3 紅粘土試樣e-lg p固結壓縮曲線

圖4 紅粘土ln(1+e)-lg p雙對數固結壓縮曲線

表1 紅粘土固結變形的主要指標

表2 紅粘土先期固結壓力及超固結比

表3 紅粘土各指標的剖面分布特征

試驗研究發現:(1)紅粘土的先期固結壓力大,原狀土的pc值在262～370 kPa之間,且遠大于上覆土層的自重壓力.固結試驗證實了紅粘土是超固結性土;(2)固而不密和反剖面特征.固而不密特征是指紅粘土是超固結性的,但其孔隙比又較大.2個工點試驗的紅粘土的先期固結壓力pc及超固結比OCR隨剖面向下有規律的遞減,即“固結反剖面特征”,而且這種“反向”具有突變性.此外,表3表明孔隙比隨著埋深的增加而增大,這也是與一般粘土相反的.反剖面特征有力地說明了紅粘土“上硬下軟”的工程特性.(3)由表1可知,紅粘土的壓縮系數平均值在0.22～0.26 MPa-1之間,為中等壓縮性土.壓縮指數平均值在0.137～0.141之間,高于老粘性土.單從紅粘土的壓縮變形參數來看,并不能表明他與其他土類有多大的不同,但若與其高孔隙性、高液限、高塑性等對應起來看,紅粘土就具有自身特有的變形特征,即在很高的孔隙比下具有中壓縮性特征.

3 紅粘土的脹縮變形特性

3.1 紅粘土脹縮特性

紅粘土的脹縮參數指標平均值見表4所列.兩個工點紅粘土的無荷膨脹率均在2.5%以下,自由膨脹率也都小于40%,膨脹性不大.紅粘土的膨脹力小于22 kPa,由于實際工程中路基土體承受的荷載一般都大于22 kPa,故其膨脹對工程破壞較小.此外,紅粘土的體縮率大于18.40%,線縮率大于1.46%,收縮系數在0.28～0.35之間,縮限在16.90～17.00之間.

表4 紅粘土的脹縮變形參數

如果按膨脹指標給紅粘土分類(自由膨脹率小于40%為非膨脹土),那么2個工點的紅粘土均不是膨脹土.但如果按收縮指標劃分(體縮率在16%～23%屬于中等膨脹土),那么又都屬于中等膨脹土的范疇.因此紅粘土具有特殊的脹縮特點,即:雖然其膨脹性微弱,但有著較強的收縮性.

3.2 紅粘土脹縮變形的時程特性

如圖5,紅粘土的膨脹變形曲線可以分為3個階段:(1)直線勻速膨脹階段.這個階段持續時間較短,但變形量較大,約占整個膨脹變形量的70%,實際工程中紅粘土吸水變形也主要發生在這個時間段內;(2)外凸弧線減速膨脹階段.這一階段的膨脹變形中,外凸弧線的曲率明顯增大,膨脹速率變緩,但這一階段的膨脹持續時間明顯增長.相比直線劇烈膨脹階段,這一階段的膨脹量比較小,約占整個膨脹變形量的25%左右;(3)直線緩慢膨脹階段.這一階段的膨脹曲線近似水平直線,膨脹變形量非常小,占整個膨脹變形量的5%以內,但這一階段的持續時間非常長,占整個膨脹時間的一半以上.第一階段膨脹變形發生在浸水表面,吸力較大,吸水較快,膨脹速率較高;隨著水分由于毛細作用深入土體內部,土水交界面面積擴大,土體開始完全膨脹,進入第二階段外凸弧線減速膨脹階段;隨著土體水分的增加,土體內吸力逐漸降低,吸水速度減小,土體的膨脹速率也降低;進入直線緩慢膨脹階段,直至土體完全吸水飽和,土體膨脹變形達到穩定.需要說明的是,以上三個階段間的界限不是絕對的,而是為了方便描述紅粘土浸水條件下的膨脹變形時程特性而人為劃分的.

圖5 紅粘土的脹縮時程曲線

紅粘土的收縮變形同樣分為3個階段:(1)直線勻速收縮階段.此階段的長短與土樣中粘粒含量多少、制備含水量大小以及水分蒸發散失條件有關,一般持續12 h左右;(2)外凸弧線減速收縮階段,隨著含水量的減少,土體收縮速度減緩;(3)直線緩慢收縮階段,含水量繼續減少,土體不再收縮或收縮甚微.各個階段的收縮速度及收縮量不同,在直線等速收縮階段和外凸弧線減速收縮階段內所發生的收縮量占總收縮量的95%以上,而在直線緩慢收縮階段收縮量很小,通常小于5%.

4 紅粘土變形特性形成機理的討論

4.1 關于紅粘土的先期固結應力及其超固結性

傳統觀點認為先期固結壓力是由土體的自重應力引起,也就是說,土的固結程度取決于土體歷史上曾經有過的埋深.通常情況下,由于土體自重作用,隨著埋深的增加,密度會增加、壓縮性減小;先期固結壓力增大,固結程度也會越好.絕大多數正常沉積的土體都遵循這一基本規律,尤其是粒間不存在聯結的砂類土,先期固結壓力來自上覆土體自重,其隨埋深增加而增大,與壓縮性和孔隙比減小等有著良好的對應關系.然而,室內試驗表明紅粘土卻并非如此,而是呈現出隨著埋深的增加,土的先期固結壓力和超固結比減小、固結性變差的特征,即“反剖面”特性,它與紅粘土的物理性質和狀態指標隨深度增加而變差、變軟的規律相一致.

紅粘土的先期固結壓力大,甚至超過了上覆土體自重的數倍;此外,隨著深度的增加,紅粘土先期固結壓力反而有規律地減小,由此可推知造成紅粘土先期固結壓力的因素具有隨深度增加而減弱的規律,這是由紅土化作用決定的,而非重力因素所致.紅土化作用是一個特殊而復雜的演變過程.簡單來說,就是在干濕交替明顯的氣候條件下,土中難溶的氧化鐵、鋁、硅等物質連續不斷溶濾、聚集、膠化、陳化,把松散的土粒膠結起來,并通過氧化鐵對土進行染色作用的過程.在這一過程中逐漸形成抗水性好,力學強度較高的膠結物,使疏松多孔的土粒得以連接成整體,從而具有較好的力學性能.紅土化作用的程度主要取決于氣候、埋深和作用時間.離地表越深,越不易受大氣干濕交替的影響,紅土化作用也就越弱.因此,游離氧化鐵的含量也是沿垂直剖面由上到下逐漸減少的.隨著氧化鐵的含量的減少,其對紅粘土的膠結就越來越弱,紅粘土的結構強度就越來越小,由此引起的先期固結壓力也就越來越小.紅粘土的固結的本質是其結構強度、力學性能加強的過程和結果,包括物理固結和化學固結[3-4].

由此可見,紅粘土的先期固結壓力與傳統定義中的從應力歷史角度出發的先期固結壓力有著本質的區別.就像前蘇聯學者杰尼索夫指出的那樣,壓密只是土顆粒的間距及位置的改變,并沒有涉及到質變.而固結作用是物理化學、化學、生物化學作用.當土顆粒在新的位置達到平衡狀態后,壓密作用就結束了,而固結作用遠沒有結速.固結作用直到土固化成巖石后才逐漸停止[5].由應力歷史引起的固結僅僅是物理壓密過程,而紅粘土的先期固結壓力是在特殊的成土過程中形成的,其真正的含義是紅粘土微觀結構強度的宏觀反映,它表征著結構的屈服強度,而不是上覆壓力歷史的記錄.

4.2 關于紅粘土的微觀結構

紅粘土的微觀結構特征分為2個層次,相對應的,也有兩個層次的孔隙,一個是粒團內部的細小孔隙;另一個層次的孔隙是粒團之間的較大孔隙.貴州大學廖義玲教授曾根據掃描電鏡觀察和壓汞試驗認為,粒團內的孔隙極其發育,約占孔隙總體積的3/4以上,呈封閉或半封閉狀,受壓力作用后,孔隙的數量變化不大,屬于受力后具有“惰性”的孔隙;粒團之間的孔隙多呈菱形、狹長型或不規則形,受力后這類孔隙數量大幅減少,是活性孔隙.

粒團內部連結是牢固的、水穩性的連結,具有一定的剛性,所以內部孔隙在常壓下不會有很大變化.在外部荷載的作用下,紅粘土體積變化的主要因素是粒團之間的孔隙減少,而粒團之間的孔隙僅占孔隙體積總體積的四分之一,故其壓縮性小.所以,紅粘土具有高孔隙性卻是低壓縮性土,其最根本原因是紅粘土本身微觀成分和結構所決定的.

5 結 論

1)紅粘土的應力-應變關系呈非線性.曲線陡峭段的應變較小,而對應的應力增幅較大,但平緩段對應的應變較大,而應力增長較小.在應力作用下,先是土體擠密產生應變,接著是土體結構被破壞而產生變形,其中第二階段變形遠大于第一階段的變形.在第一階段變形中,紅粘土是剪縮的;在第二階段的變形中,可能出現剪脹現象.

2)武廣客運專線紅粘土具有超固結性、固而不密的特性.在孔隙比很高的同時具有中等壓縮性.固結反剖面特征明顯.剖面上部先期固結壓力較大,超固結比較大,固結程度好;下部超固結比小,固結程度差,呈現出上硬下軟的特性.紅粘土雖然含水量高,孔隙比大,但承載力較好,是一種良好的天然地基土.

3)武廣客運專線紅粘土按膨脹性來劃分,它不屬于膨脹土;從收縮性來看則又屬中等膨脹土,即以縮為主,縮大于脹.紅粘土的膨脹、收縮曲線具有明顯的相似性,膨脹、收縮過程都經歷了從斜直線→弧線→平直線的變化過程,但兩個過程的各階段持續時間及所發生的變形量有很大差異,吸水膨脹明顯要比失水收縮快得多.

[1]姜其巖,余培厚,郭 沛,等.紅粘土力學強度特性的形成及分析[J].貴州工學院學報,1991,20(2):221-43.

[2]李廣信.高等土力學[M].北京:清華大學出版社,2004.

[3]廖義玲,畢慶濤.關于紅粘土先期固結壓力的探討[J].巖土力學,2006,27(11):1931-1934.

[4]韋時宏,廖義玲.黔中地區紅粘土的超固結性及低密實度和變形特征[J].貴州工業大學學報:自然科學版,2006,35(4):9-12.

[5]杰尼索夫.粘性土的工程性質[M].盛崇文,譯.北京:水利電力出版社,1960.